[论文解读] YbV$_3$Sb$_4$ and EuV$_3$Sb$_4$, vanadium-based kagome metals with Yb$^{2+}$ and Eu$^{2+}$ zig-zag chains

Brenden R. Ortiz, Ganesh Pokharel+15 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2023

Topological Materials and Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究报道了YbV₃Sb₄和EuV₃Sb₄的合成与表征，这两种新型钒基kagome金属具有二价Yb²⁺和Eu²⁺离子的之字形链结构。尽管YbV₃Sb₄在60 mK至300 K范围内保持非磁性金属特性且无相变，EuV₃Sb₄在T_C = 32 K处表现出类铁磁转变，具有易面各向异性和调制磁基态的迹象，为调控kagome晶格中的磁序提供了新平台。

ABSTRACT

Here we present YbV$_3$Sb$_4$ and EuV$_3$Sb$_4$, two new compounds exhibiting slightly distorted vanadium-based kagome nets interleaved with zig-zag chains of divalent Yb$^{2+}$ and Eu$^{2+}$ ions. Single crystal growth methods are reported alongside magnetic, electronic, and thermodynamic measurements. YbV$_3$Sb$_4$ is a nonmagnetic metal with no collective phase transitions observed between 60mK and 300K. Conversely, EuV$_3$Sb$_4$ is a magnetic kagome metal exhibiting easy-plane ferromagnetic-like order below $T_ ext{C}$=32K with signatures of noncollinearity under low field. Our discovery of YbV$_3$Sb$_4$ and EuV$_3$Sb$_4$ demonstrate another direction for the discovery and development of vanadium-based kagome metals while incorporating the chemical and magnetic degrees of freedom offered by a rare-earth sublattice.

研究动机与目标

• 通过引入具有可调磁矩的稀土离子，扩展钒基kagome金属家族。
• 探索巡游kagome能带结构与稀土子晶格中局域磁矩之间的相互作用。
• 研究稀土之字形链中的磁序如何影响kagome金属的电子与磁性性质。
• 建立一类新型kagome材料（AV₃Sb₄），通过A位阳离子实现化学与磁性的可调性。

提出的方法

• 采用助熔法生长YbV₃Sb₄和EuV₃Sb₄单晶，以获得高质量样品。
• 利用SQUID磁强计进行磁性表征，测量温度与磁场依赖的磁化率与磁化强度。
• 采用弛豫法测量比热，探测热力学相变并提取磁熵。
• 通过X射线衍射与晶体结构精修，确认AM₃X₄结构，其kagome网略有畸变，且A位呈现之字形链结构。
• 利用Curie-Weiss定律分析磁性数据，并与非磁性YbV₃Sb₄比较，以分离磁性贡献。
• 将YbV₃Sb₄用作非磁性声子参考，以提取EuV₃Sb₄中的磁比热与磁熵。

Figure 1: YbV 3 Sb 4 and EuV 3 Sb 4 (a) are orthorhombic ( Fmmm ) compounds that exhibit a zig-zag sublattice of Ln ions (b) interwoven with staggered layers of V-based kagome networks (c). Consistent with the orthorhombic structure, the kagome networks are slightly distorted (d). The distortion is

实验结果

研究问题

• RQ1 能否将二价稀土离子（Yb²⁺、Eu²⁺）引入AV₃Sb₄结构中，形成具有可调磁性的稳定kagome金属？
• RQ2 Eu²⁺的存在是否在钒kagome晶格中诱导出长程磁序？若存在，其性质与转变温度为何？
• RQ3 EuV₃Sb₄的磁基态与简单铁磁性有何不同？其存在调制或自旋倾斜序的证据是什么？
• RQ4 EuV₃Sb₄的磁性性质与S = 7/2体系的预期值相比偏离程度如何？可能的原因是什么？
• RQ5 EuV₃Sb₄中的磁熵能否被定量解释？其是否趋近于S = 7/2离子完全有序时的预期值R ln 8？

主要发现

• YbV₃Sb₄为非磁性金属，在60 mK至300 K范围内未观察到体相变，其行为与Pauli顺磁性一致。
• EuV₃Sb₄在T_C = 32 K处表现出类铁磁转变，具有易面各向异性，且在T_C以下磁化强度出现驼峰，暗示存在复杂磁序。
• 磁比热分析显示，EuV₃Sb₄中的磁熵达到16.8 J mol⁻¹ K⁻¹，相当于S = 7/2 Eu²⁺离子预期值R ln 8的97%。
• H ∥ c方向的磁化率数据表明，其基态比简单铁磁性更复杂，可能涉及自旋倾斜或螺旋序。
• 等温磁化数据表明，即使经过质量校正，仍存在1 μB的磁矩亏损，提示可能存在未计入的钒贡献或动力学效应。
• 在磁场作用下，T_C处的比热异常峰展宽并发生向低温偏移，表明磁涨落具有磁场依赖性。

Figure 2: (a) The electronic structure of Fmmm YbV 3 Sb 4 calculated over an abbreviated portion of the face-centered (type-1) orthorhombic high-symmetry points shows Dirac-like and flatband-like features consistent with the vanadium kagome network. Most cleavage surfaces exhibit Yb–Sb termination,